(57)【要約】【課題】点火時期の大幅な遅角と燃焼安定度とを両立させ、冷機時の排気ガス温度の昇温とＨＣ排出量低減とを実現する。【解決手段】内燃機関の冷却水温が８０℃を越えた暖機完了状態では、通常の成層燃焼運転および均質燃焼運転を行う。冷却水温が８０℃以下の冷機状態では、触媒コンバータの活性化促進とＨＣ排出量低減のために、上死点噴射運転とする。上死点噴射運転では、噴射開始時期ＩＴＳが圧縮上死点（ＴＤＣ）前、噴射終了時期ＩＴＥが圧縮上死点（ＴＤＣ）後となり、圧縮上死点を跨いで燃料噴射が行われる。点火時期ＡＤＶは、圧縮上死点（ＴＤＣ）後となり、噴射開始時期ＩＴＳから１５°ＣＡ〜２０°ＣＡ遅れた時期に点火される。圧縮上死点では、スワール流やタンブル流は崩壊し、安定した場となるので、燃焼安定度が向上する。これにより点火時期の大幅な遅角が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えるとともに、点火プラグを備えてなる筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、所定の運転状態のときに、燃料噴射を、噴射開始時期が圧縮上死点前で噴射終了時期が圧縮上死点後となるように圧縮上死点を跨ぐ期間に行い、かつ、上記噴射開始時期から遅れた圧縮上死点後に点火を行うことを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項２】
所定の運転状態として、排気ガス温度の昇温が要求されたときに、上記の燃料噴射期間および点火時期に制御することを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項３】
点火時期が、噴射開始時期から１５°ＣＡ〜２０°ＣＡ遅れた時期であることを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項４】
燃料噴射期間における圧縮上死点前の期間と圧縮上死点後の期間とがほぼ等しいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項５】
平均的な空燃比がほぼ理論空燃比となることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、筒内に燃料を直接に噴射する筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置に関し、特に、その噴射時期および点火時期の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、排気浄化用の触媒コンバータが活性温度よりも低い未暖機状態にあるときに、燃料噴射量全体を早期噴射と後期噴射との２回に分割して噴射するものとして、吸気行程中に早期噴射を行うとともに、圧縮行程中に後期噴射を行い、さらに、点火時期をＭＢＴ点よりも遅角させる技術が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−４５８４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
内燃機関冷機時の触媒の早期活性化を図るべく排気ガス温度を昇温させるとともにＨＣを低減するためには、点火時期をなるべく大きく遅角させることが望ましいが、点火時期を大幅に遅角すると、燃焼安定度が悪化するため、燃焼安定度の観点から定まるある限界よりも遅角することはできない。上記従来の技術では、特に冷機時のような条件下において、安定した燃焼の確保が難しく、燃焼安定度から定まる点火時期の遅角限界が比較的進み側にあり、十分な点火時期の遅角を実現することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この発明は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えるとともに、点火プラグを備えてなる筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、所定の運転状態のとき、例えば冷機時アイドル運転のような排気ガス温度の昇温が必要な場合などに、燃料噴射を、噴射開始時期が圧縮上死点前で噴射終了時期が圧縮上死点後となるように圧縮上死点を跨ぐ期間に行い、かつ、上記噴射開始時期から遅れた圧縮上死点後に点火を行うことを特徴としている。
【０００５】
例えば、点火時期は、噴射開始時期から１５°ＣＡ〜２０°ＣＡ遅れた時期とすることが望ましい。
【０００６】
また、燃料噴射期間における圧縮上死点前の期間と圧縮上死点後の期間とがほぼ等しくなるように制御することもできる。
【０００７】
図１は、本発明の燃料噴射期間および点火時期を筒内圧変化とともに例示したものであり、噴射開始時期ＩＴＳが圧縮上死点（ＴＤＣ）前、噴射終了時期ＩＴＥが圧縮上死点（ＴＤＣ）後となる。その間の噴射期間Ｔの長さは、噴射量に相当する。点火時期ＡＤＶは、圧縮上死点（ＴＤＣ）後であり、噴射開始時期ＩＴＳから所定クランク角（例えば１５°ＣＡ〜２０°ＣＡ）遅れた時期となる。この遅れ期間Ｄは、一般に、燃料噴射弁から点火プラグまでの距離に相関する。
【０００８】
図２は、内燃機関の１サイクル中のピストンストロークによるピストン位置変化量と燃焼室の体積変化量とを示したものである。図示するように、単位クランク角当たりの変化量は、ストロークの中間位置付近で最も大きく、下死点（ＢＤＣ）付近ならびに上死点（ＴＤＣ）付近では、非常に小さい。従って、本発明で燃料噴射を行う圧縮上死点付近は、ピストン位置変化や体積変化が非常に小さく、ピストンの動き等に影響されない安定した場が形成され得る。
【０００９】
また、筒内には、吸気行程において、スワール流やタンブル流といった比較的大きな流れのガス流動が発生し、圧縮行程においても残存しているが、このようなスワール流やタンブル流といった大きな流れは、ピストンが圧縮上死点付近に達して燃焼室が狭小なものとなると、急激に崩壊する。図３は、種々の機関回転数の下での燃焼室内の大きな流れの流速変化を示したものであり、図示するように、回転数に応じた強さのスワール流ないしタンブル流が発生するが、圧縮上死点（３６０°ＣＡ）に達する前に、急激に崩壊する。従って、本発明において圧縮上死点付近で噴射された燃料噴霧は、スワール流やタンブル流のような大きな流れにより動かされることがなく、点火プラグに対し、常に安定した形で噴霧を形成することが可能である。
【００１０】
一方、上記のスワール流やタンブル流といった比較的大きな流れのエネルギは、その流れの崩壊に伴って、微小な乱れへと遷移する。従って、燃焼室内の微小な乱れは、圧縮上死点の直前に、急激に増大する。図４は、図３に示した流れの崩壊に伴って生じる微小な乱れの強さを、流速に換算していわゆる乱れ流速として示したものであり、図示するように、圧縮上死点直前に、乱れが大きく増加する。このような微小な乱れは、燃焼場の活性化に寄与し、燃焼改善作用が得られる。
【００１１】
つまり、燃料が噴射される圧縮上死点付近での燃焼室内の場は、噴霧を動かしてしまうような大きな流れが存在せず、かつ燃焼を活発化させる微小な乱れが多く存在し、しかも、ピストンの動きに対し非常に安定した場となる。従って、圧縮上死点よりも遅角した点火時期でもって、安定した燃焼が可能であり、燃焼安定度の上で制限される点火時期の遅角限界が、より遅角側となる。そのため、点火時期の大幅な遅角により、排気ガス温度を大幅に昇温させることができ、かつＨＣ排出量が低減する。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、点火時期を圧縮上死点よりも大幅に遅角させた状態で安定した燃焼を得ることができ、例えば内燃機関の冷機時に、排気ガス温度を昇温させて触媒の早期活性化を図ることができるとともに、ＨＣ排出量の低減が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図５〜図７は、この発明が適用される筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施例を示しており、特に、図５，図６は、一つの気筒の構成を示し、図７は機関全体のシステム構成を示している。
【００１５】
図５，図６に示すように、シリンダブロック１に形成されたシリンダ２にピストン３が摺動可能に配置されているとともに、シリンダブロック１上面に固定されたシリンダヘッド４と上記ピストン３との間に、燃焼室５が形成されている。上記シリンダヘッド４には、吸気弁６によって開閉される吸気ポート７と、排気弁８によって開閉される排気ポート９と、が形成されている。１つの気筒に対し、一対の吸気弁６と一対の排気弁８とが設けられており、これらの４つの弁に囲まれた燃焼室５天井面中心部に、点火プラグ１０が配置されている。また、この実施例では、運転状態によってタンブル流を強化することができるように、吸気ポート７内に、該吸気ポート７内を上下２つの流路に区画する隔壁１１が設けられているとともに、その下側の流路を上流端で開閉するタンブル制御弁１２が設けられている。当業者には容易に理解できるように、タンブル制御弁１２によって下側の流路を閉塞した状態ではタンブル流が強化され、タンブル制御弁１２を開いた状態ではタンブル流が弱まる。
【００１６】
上記シリンダヘッド４の吸気ポート７の下側、より詳しくは一対の吸気ポート７の中間部の位置には、筒内へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁１５が配置されている。この燃料噴射弁１５は、平面図上において図示せぬピストンピンと直交する方向に沿って燃料を噴射するように配置されているとともに、図５の断面図上において、斜め下方を指向して配置されているが、下方への傾斜角は比較的小さく、つまり水平に近い方向へ燃料を噴射する。
【００１７】
一方、ピストン３の頂部は、ペントルーフ型をなす燃焼室５天井面の傾斜に沿った凸部形状をなしているとともに、その中央部に、平面図上において略矩形をなす凹部１６が形成されている。この凹部１６の底面は、タンブル流に沿うように、所定の曲率半径の円弧面ないしは円弧に近似した湾曲面をなしている。
【００１８】
図７に示すように、この実施例の内燃機関は、例えば直列４気筒機関であり、各気筒の排気ポート９が接続された排気通路２１に、排気浄化用の触媒コンバータ２２が設けられており、その上流側に、酸素センサ等の空燃比センサ２３が配置されている。また、各気筒の吸気ポート７が接続された吸気通路２４は、その入口側に、制御信号により開閉される電子制御スロットル弁２５を備えている。上記排気通路２１と上記吸気通路２４との間には、排気還流通路２６が設けられており、その途中に、排気還流制御弁２７が介装されている。また、各気筒のタンブル制御弁１２は、ソレノイドバルブ２８を介して導入される吸入負圧により動作する負圧式タンブル制御アクチュエータ２９によって、一斉に開閉される構成となっている。
【００１９】
また、上記燃料噴射弁１５には、燃料ポンプ３１およびプレッシャレギュレータ３２によって所定圧力に調圧された燃料が、燃料ギャラリ３３を介して供給されている。従って、各気筒の燃料噴射弁１５が制御パルスにより開弁することで、その開弁期間に応じた量の燃料が噴射される。また、各気筒の点火プラグ１０は、イグニッションコイル３４に接続されている。
【００２０】
上記内燃機関の燃料噴射時期や噴射量、点火時期等は、コントロールユニット３５によって制御される。このコントロールユニット３５には、アクセルペダル踏み込み量を検出するアクセル開度センサ３０の検出信号や、クランク角センサ３６の検出信号、空燃比センサ２３の検出信号、冷却水温を検出する水温センサ３７の検出信号、等が入力されている。
【００２１】
上記のように構成された内燃機関においては、暖機が完了した後の状態、例えば冷却水温が８０℃を越えているときには、通常の成層燃焼運転および均質燃焼運転が行われる。すなわち、低速低負荷側の所定の領域では、通常の成層燃焼運転として、基本的にタンブル制御弁１２を閉じた状態の下で、圧縮行程の適宜な時期に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前の時期に点火が行われる。なお、この運転モードでは、圧縮上死点前に必ず燃料噴射が終了する。圧縮行程中にピストン３へ向けて噴射された燃料は、凹部１６に沿って旋回するタンブル流を利用して点火プラグ１０近傍へ集められ、ここで点火される。そのため、平均的な空燃比がリーンとなった成層燃焼が実現される。また、高速高負荷側の所定の領域では、通常の均質燃焼運転として、基本的にタンブル制御弁１２を開いた状態の下で、吸気行程中に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前のＭＢＴ点において点火が行われる。この場合は、燃料は筒内で均質な混合気となり、基本的に理論空燃比近傍で運転が行われる。
【００２２】
これに対し、内燃機関の冷却水温が８０℃以下のとき、つまり暖機が完了していない状態では、触媒コンバータ２２の活性化つまり温度上昇の促進とＨＣ排出量低減のために、上死点噴射運転とする。この上死点噴射運転では、前述した図１に示したように、噴射開始時期ＩＴＳが圧縮上死点（ＴＤＣ）前、噴射終了時期ＩＴＥが圧縮上死点（ＴＤＣ）後となり、圧縮上死点を跨いで燃料噴射が行われる。点火時期ＡＤＶは、圧縮上死点（ＴＤＣ）後となり、噴射開始時期ＩＴＳから１５°ＣＡ〜２０°ＣＡ遅れた時期に点火される。この遅れ期間の間に、燃料噴霧がちょうど点火プラグ１０付近に到達し、点火プラグ１０付近に可燃混合気を形成するので、確実に着火燃焼に至り、成層燃焼が行われる。このとき、燃料噴射量は、平均的な空燃比が理論空燃比となるように制御される。
【００２３】
本実施例では、上記の燃料噴射時期は、噴射開始時期ＩＴＳが所定のクランク角となるように制御され、噴射終了時期ＩＴＥは、この噴射開始時期ＩＴＳと燃料噴射量（噴射時間）とによって定まる。なお、燃料噴射期間における圧縮上死点前の期間と圧縮上死点後の期間とが等しくなるように、燃料噴射量に基づき、噴射開始時期ＩＴＳと噴射終了時期ＩＴＥとを求めるようにすることも可能である。
【００２４】
このように圧縮上死点を跨いで燃料噴射を行い、かつ点火時期を圧縮上死点よりも遅らせることで、点火時期の大幅な遅角と燃焼安定度の確保とを両立させることが可能となり、排気ガス温度の十分な昇温とＨＣ排出量低減とを達成できる。
【００２５】
図８は、上記のように圧縮上死点を跨いで燃料噴射を行った本実施例の場合と、圧縮上死点前に燃料噴射が終了する従来型の燃料噴射の場合とで、燃焼安定度の上で制限される点火時期の遅角限界を対比して示したものである。すなわち、図示する曲線のように点火時期を遅角させると燃焼安定度が悪化するため、点火時期の遅角は、燃焼安定度の限界によって制限され、かつ若干の余裕を見込んで、実用上は、破線の位置に制限される。ここで、従来型の燃料噴射では、同じ燃焼安定度限界に対し、破線ａの位置に遅角が制限される。これに対し、圧縮上死点を跨いで燃料噴射を行う本実施例では、破線ｂの位置まで遅角することが可能となる。
【００２６】
図９は、点火時期ＡＤＶと排気温度との関係を示しており、圧縮上死点よりも点火時期ＡＤＶを遅らせることで、より一層の排気温度上昇が可能である。本実施例の点火時期ＡＤＶの設定点は、燃焼安定度が悪化する限界となる燃焼安定限界にできるだけ近い点に設定されている。
【００２７】
また図１０は、点火時期ＡＤＶとＨＣ排出量との関係を示しており、圧縮上死点よりも点火時期ＡＤＶを遅らせることで、より一層のＨＣ排出量低減が可能である。つまり、混合気が成層化した状態で点火を行うため、未燃燃料が少なくなり、ＨＣ排出量が低減する。なお、点火時期ＡＤＶを過度に遅角設定すると、燃焼安定度が悪化するのは勿論であるが、噴射した燃料が拡散してしまうため、図示のように、ＨＣも悪化傾向となる。
【００２８】
図１１は、燃料噴射時期ＩＴ（燃料噴射開始時期ＩＴＳ）と点火時期ＡＤＶと燃焼安定度との関係を示したものであり、燃料噴射開始時期ＩＴＳと点火時期ＡＤＶとをパラメータとして、等燃焼安定度線を等高線状に描いてある。図の「ＩＴ＝ＡＤＶ」の線は、噴射開始時期ＩＴＳと点火時期ＡＤＶとが等しい線であり、これよりも上側は、点火時期ＡＤＶの方が相対的に遅いことを意味する。一点鎖線ｍは、点火プラグ１０に噴霧が到達するまでの時間差を与えた線を示している。この図に示すように、燃焼安定度は、燃料噴射開始時期ＩＴＳを上死点付近とし、かつこれよりも点火時期ＡＤＶがある程度遅れたときに、最も高くなる。そして、燃焼安定度が許容レベルの限界となる燃焼安定限界に対応する等燃焼安定度線の内側が、燃焼の成立し得る範囲となる。本実施例では、この範囲内で、最も遅角側となるように点火時期ＡＤＶが設定され、かつこの点火時期ＡＤＶに対応して燃料噴射開始時期ＩＴＳが設定されている。
【００２９】
次に、図１２および図１３は、この発明が適用される内燃機関の異なる実施例を示している。この実施例は、特に、燃料噴射弁１５の位置を変更したものであって、いわゆる直上噴射形式として、燃料噴射弁１５が、一対の吸気弁６と一対の排気弁８とに囲まれた燃焼室５天井面中心部に配置されており、これに隣接して点火プラグ１０が配置されている。上記燃料噴射弁１５からは、垂直に近い角度で、より詳しくは点火プラグ１０寄りに僅かに傾いた形で、燃料が噴射されるようになっており、その噴霧の一部が点火プラグ１０の電極部付近に向かっている。なお、ピストン３頂部は、全体が緩い凹面となっている。また、吸気ポート７には、タンブル流を強化するためにタンブル制御弁１２が設けられている。
【００３０】
このような構成の内燃機関においても、上述した上死点噴射運転が可能である。
【００３１】
また、図１４に示すように、上記のタンブル制御弁１２に代えて、一方の吸気ポート７のみを開閉する周知のスワール制御弁４１を設け、これを閉じることによって筒内にスワール流を生成するようにした内燃機関においても、本発明は同様に適用可能である。
【００３２】
なお、上記各実施例では、必要に応じてタンブル流やスワール流を強化するためのタンブル制御弁やスワール制御弁を具備した例を説明したが、本発明は、このようなガス流動の強化手段を具備しない内燃機関においても、同様に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の燃料噴射期間および点火時期の一例を示した特性図。
【図２】サイクル中のピストン位置変化量と体積変化量の特性図。
【図３】大きな流れのサイクル中の変化を示す特性図。
【図４】微小な乱れのサイクル中の変化を示す特性図。
【図５】筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施例を示す断面図。
【図６】同じく平面図。
【図７】この内燃機関全体のシステム構成を示す構成説明図。
【図８】本実施例の点火時期遅角限界を従来型の燃料噴射のものと対比して示す特性図。
【図９】点火時期と排気温度との関係を示す特性図。
【図１０】点火時期とＨＣ排出量との関係を示す特性図。
【図１１】燃料噴射時期と点火時期と燃焼安定度との関係を示す特性図。
【図１２】筒内直接噴射式火花点火内燃機関の異なる実施例を示す断面図。
【図１３】同じく平面図。
【図１４】スワール制御弁を設けた実施例を示す平面図。
【符号の説明】
【００３４】
３…ピストン
５…燃焼室
１０…点火プラグ
１５…燃料噴射弁  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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